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乌兰图嘎露天矿边坡监测设计论文

主要内容、基本要求、主要参考资料等：

一、主要内容：

1.设计出该露天矿的边坡监测方案以及变形监测周期。

2.阐述了观测完成后变形监测数据如何进行处理。

3.对边坡的稳定性提出了意见和建议。

二、基本要求：

通过老师的帮助和自身所掌握的知识和搜集到的资料，结合实际情况完成这次毕业设计论文。

并锻炼和提高自己调查研究、搜集资料、查阅文献、使用工具、总结等的学习能力。

三、主要参考资料：

[1]李海蒙,李军财.国内外矿山边坡监测技术应用的最新进展[J].中国矿业,2006：

（15）4

[2]李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉大学出版社

[3]赵强.蒙库铁矿露天矿边坡稳定性监测[J].新疆钢铁，2011：

（1）

[4]岳建平,田林亚.变形监测技术与应用[M].国防工业出版社

[5]张雷韬,梁建军,于春刚.乌煤公司露天矿采掘场边坡稳定性分析及治理[J].

[6]张国良.矿山测量学[M].中国矿业大学出版社,2008.311-327

完成期限：

第八学期第十五周

指导教师签名：

专业负责人签名：

年月日

乌兰图嘎露天矿边坡监测设计

摘要

边坡一般由岩石和粘土物质组成，幅度随着露天矿的逐渐开采而增高，坡度相对较陡，当受到外界因素的影响如当地的地质构造、边坡的岩性、降水、地震、爆破、的侵蚀、设备动态负载和其他因素会发生滑坡、坍塌等地质灾害。

会对人员，设备以及生产造成危害。

因此，高效、准确的监测露天矿的边坡的变形十分重要，本文通过对乌兰图嘎露天矿的边坡监测设计，分析了露天矿滑坡的形成原因；设计出该露天矿的边坡监测方案以及变形监测周期；阐述了观测完成后变形监测数据如何进行处理，并根据已知数据资料对边坡的稳定性提出了意见和建议。

关键词边坡；地质灾害；边坡监测设计

THEOPENPITMINESLOPEMONITORING

DESIGNOFWULANTUGA

ABSTRACT

Withopen-pitmineslopeisrockymaterialcommonly,amplitudeofincreasedgraduallyandmining,therelativelysteepslope,whenaffectedbyexternalfactorssuchaslocalgeologicalstructure,lithologicslope,precipitation,earthquake,demolition,erosion,equipmentofdynamicloadandotherfactors,landslides,collapseandothergeologicaldisasters,thepersonnel,productionequipmentandproduction,therefore,efficientandaccuratemonitoringofopenpitmineslopedeformationisveryimportant,thisarticlethroughtoWulantugaopen-pitmineslopemonitoringdesign,explainstheformationreasonsoftheopen-pitminelandslide.Designoftheopen-pitmineslopemonitoringplan,aswellasthedeformationmonitoringcycle.Expoundshowobservationafterthecompletionofthedeformationmonitoringdataprocessing,andaccordingtotheknowndataputsforwardopinionsandSuggestionsonthestabilityoftheslope.

KEYWORDSSlope；geologicaldisasters；slopemonitoringdesign

前言

露天矿的边坡一般是临时或半永久性的，煤矿的开采有一定年限，当资源开采完后，就要回填。

露天矿开采中普遍存在的问题是边坡变形，当变形到一定程度时就会发生滑坡。

为了避免灾害发生，如果发现边坡在竖直方向或水平方向上的位移变化速度急剧增大时，应立即撤出工作人员、采掘、运输设备，以确保人员和财产的安全。

通过监测变形的规律，可以进一步的研究边坡变形的原因，预报灾害，为以后的边坡设计积累经验。

提供边坡稳定性分析的基础资料。

还可以通过分析观测资料了解和掌握滑坡形成的原因、形态、规模和发展趋势，以便及时采取相应的处理措施，保证露天矿山生产安全、高效、经济的开采[1]

1乌兰图嘎露天矿概述

1.1位置与交通

（1）地理位置

乌兰图嘎露天矿区位于内蒙古自治区锡林浩特市胜利煤田的西南端，锡林浩特市西偏北约12km处，紧邻原Ⅱ采区露天锗矿，行政隶属于锡林浩特市宝力根苏木。

其地理坐标为：

东经115°53′00″～115°55′15″

北纬43°57′30″～43°59′00″

（2）交通

勘探区位于锡林浩特市西偏北12km，有公路相通。

由锡林浩特沿省道S101线西行370km到达苏尼特右旗赛汉塔拉镇与集二线相连；自锡林浩特市沿锡桑铁路南行150km到达桑根达莱与集通线相连；锡林浩特沿207国道南行290km到达河北省张家口市；锡林浩特市每天有飞往北京及呼和浩特市的飞机，交通甚为方便。

1.2露天矿开采境界特征

露天矿开采境界特征为，地表境界南北倾向长2.78km，东西走向宽2.38km，面积4.635km2；6-1号煤层底部境界南北倾向长2.538km，东西走向宽2.105km，面积3.569km2。

露天矿最终边坡角为26°，最大开采深度为160m。

1.3气象

锡林郭勒盟属中温带半干旱大陆性气候，草原的夏季时间短且炎热，冬季时间长十分的寒冷，寒暑温差较大，。

根据锡林郭勒盟气象站近年来气象观测资料统计，6月到8月为夏季，温度较高昼夜温差大，11月至次年的3月气温最低。

霜冻期时间较长，一般为10月开始到第二年的4月结束。

平均冻土深度2.39m。

降水一般集中在6月～9月，冬季降雪较多。

年平均蒸发量1788.93mm/a。

1.4地震

根据内蒙古地震资料，本地区地震动峰值加速度0.05g，对照烈度为Ⅵ度。

据了解本区历史上无破坏性地震发生的记载。

区内无泥石流、滑坡及塌陷等不良地质灾害现象发生。

1.5建设与生产情况

乌兰图嘎锗煤露天矿为改扩建露天矿，原有锗煤生产能力为0.05Mt/a，全部用于冶炼提锗，年可加工GeO210t/a。

乌兰图嘎煤炭有限责任公司为顺应市场发展的需要，相应国家的节能减排、发展循环经济的号召，在原有的单一锗煤加工提炼的基础上，增加煤炭的生产能力,扩建后露天矿建设规模为1.20Mt/a，主要产品为锗煤及褐煤两种产品，在生产过程中利用提锗产生的余热可进行发电和褐煤的脱水提质处理。

露天矿现已完成矿区划定范围批复、地质勘探、资源/储量核实以及评审备案、开发利用方案及可研报告编制等工作。

于2009年12月完成锗煤露天矿初步设计的编制工作并审批通过。

目前正在筹划下阶段设计、矿山建设前期筹备等项工作。

2露天矿边坡概况

2.1采掘场边坡

（1）采掘场边坡地质条件

露天矿首采区采掘场两侧边坡分别位于正断层附近，断层倾角为75°，皆大于边坡角度，随着工程的推进，断层破碎带将被剥离掉，对边坡的稳定性不会产生影响。

边坡部位的工程地质条件与矿区基本一致。

（2）影响采掘场边坡稳定性的因素

1）露天矿设计的边坡的高度、边坡台阶的宽度和边坡的坡面角都会直接影响边坡的稳定性。

2）组成边坡的物质，这些物质理力学强度，该地区岩层的倾向、倾角和走向都对露天矿边坡有极大影响；

3）露天矿在开采过程中会对边坡有一定的影响，从而破坏岩体的整体性。

4）雨水对边坡有着较大的影响，当雨水通过裂隙渗入边坡岩体，会减少岩体间的摩擦和降低岩体的物理强度，从而使边坡失稳。

（3）边坡稳定计算指标的选取

由于地质报告中缺少边坡部位详细的工程地质资料，没有关于岩石节理、裂隙密度的统计数据，只能根据经验确定减弱系数λ=0.045。

依据矿区勘探地质报告提供的相应岩性有限资料及参照邻近胜利一号露天矿的实际资料，类比矿山经验数据，确定土、岩的物理力学指标见表2-1

表2-1边坡岩体强度力学指标表

岩种

Φ（°）

C（Mpa）

R（t/m3）

泥岩

38°30′

0.75

1.768

煤

27°24′

0.06

1.240

粘土

13°54′

0.06

1.817

砂质泥岩

27°

0.04

2.12

粉砂岩

28°

0.05

1.98

粗砂岩

31°

0.03

1.97

中砂岩

29°

0.04

1.98

细砾岩

32°

0.04

1.94

泥质砾岩

28°

0.04

1.95

炭质泥岩

37°

0.03

1.97

沙类土

32°

0

2.63

（4）预想滑动模式及计算方法选择

1）计算剖面位置的选择

露天矿在不同的开采阶段，其边坡位置、状态、工程地质条件有所不同。

在初期（首采区）采场的北部端帮边坡深度大、暴露时间长是影响边坡稳定的关键部位。

当首采区采掘完了转向二采区后，随着工作帮向北推进，边坡高度逐渐加大，接近二采区终了时其边坡高度最大，本次设计选取V-V勘探线为边坡稳定的计算剖面。

在下一阶段根据边坡工程地质的详细勘探结果，再做出进一步的计算与修正。

2）预想滑动模式

计算部位的边坡主要由表土、软岩和煤层构成。

根据岩性组合特征，岩层产状，依据经验得出的地质情况及采矿边坡形成的条件，来确定未来边坡滑动模式主要是切割岩层产生的圆弧滑动。

滑动模式见图2-1所示。

3）计算方法选择

设计采用Bishop法进行计算，数学模型如下：

（2-1）

式中：

（2-2）

（2-3）

（2-4）

（2-5）

对每一条块必须满足的条件：

（2-6）

（2-7）

式中：

F――稳定系数

C′――瞬时粘结力

γ――岩石容重

h――条块高度

γw――水位的高度

Ф′――瞬时内摩擦角

ΔX――条块宽度

αi――条块底面倾角

Q――张裂隙水的水平作用力

σ′――有效正应力

4）计算结果和预想滑面

经计算，当边坡高度为120m，边坡角为26°时，稳定系数为1.31，满足露天矿边坡稳定性要求。

滑坡模式见图2-1。

图2-1采掘场边坡滑动模式及稳定计算示意图

5）台阶坡面角的估算

根据现场实地调查，以及邻近矿山胜利一号露天矿的生产实际经验，结合本矿地质条件、台阶设计高度（10m）、开采工艺等因素，确定本矿表土台阶工作坡面角为50°，软岩及煤层台阶为60°。

2.2排土场边坡

（1）内、外排土场基底及排弃物料概述

外排土场位于露天矿地表境界南侧外200m，外排土场基地第四系（Q）覆盖层为混合型草原堆积，由冲积、风积、洪积和坡积物组成，以黄褐色、灰白色、浅黄色、杂色粉砂、细砂、亚砂土、砂土、残积砾石及灰黄色、浅灰色含砾粗、细砂等组成。

揭露地层厚度2.50m～35.43m，平均14.84m。

排土场基底较稳定、平坦，对露天矿边坡稳定影响小，不受地表水影响。

露天矿外部排弃物料由表层沙土、各种泥岩与砂岩的混合物所组成。

大部分为泥岩，占所有剥离物的75％以上。

内排土场位于6－1号煤层底板以上，基底为泥岩，基本呈水平状态。

排弃物料一般按地层顺序排放，只有局部存在混排现象。

基底受地下涌水及大气降水的影响，有残余水存在。

（2）影响排土场边坡稳定性的主要因素

1）排土场的高度、排土场各个台阶高度、宽度；

2）排弃物是由什么物质组成的；

3）不同的物质之间的摩擦力不同，所造成的力学性质也不同；

4）排土场所处的环境对其稳定性也是有影响的，比如其基地的倾角大小，基地是由什么物质构成的；

5）由于北方冬季时间长，所以冻土时间也长，排土场会积雪，当天气转暖，昼夜温差大，白天时会雪水融化会渗入土里，而到了晚上温度低，渗入排土场的水又会冻住产生裂缝，这些也会对其稳定性有影响；

（3）稳定计算指标的选取

排土场的边坡稳定性验算主要以外排土场的最终边坡为验证对象。

内排土场只有在首采区的北侧存在端部非工作边坡，排弃标高按1110考虑，暴露边坡高度为70m。

转向二采区后只有工作帮边坡暴露，而且角度较小为10°左右，根据现有矿山实际情况及设计经验，对排土边坡的稳定影响较小。

排土场初始排弃的物料较为松散，随时间的推移物料逐渐压实重塑，稳定计算指标取土岩混合后的松散系数为1.10，内摩擦角为22°，凝聚力0.01Mpa，容重1.78t/m3。

（4）预想滑面及计算方法的选择

排土场边坡体是由土沙和岩石混合物分层排弃而成，沙土和岩石经过上面的排弃物压实。

所以滑坡破坏模式也是上部垂直裂缝，下部呈圆弧面滑落，如果基底不稳定，还将牵动基底隆起或基底顺层滑坡。

滑坡模式见图2-2。

图2-2排土场预想滑面示意图

计算方法采用Bishop法计算。

计算公式及参数意义见采掘场边坡稳定计算。

（5）计算结果

经计算，外排土场排弃高度60m，边坡角18°，稳定系数为1.37。

内排土场排弃高度为70m，边坡角20°，稳定系数为1.33。

设计所取用的边坡角满足露天矿排土场边坡的稳定性要求。

3作业依据和精度设计

3.1作业依据

（1）《煤炭工业露天矿设计规范》GB50197—2005

（2）《煤矿安全规程》（2009版）

（3）《煤矿安全监察条例》（国务院2000年11月14日）

（4）《煤矿测量规程》

（5）《GPS城市测量技术规范》

（6）《国家三、四等水准测量规范》

3.2精度设计

根据有关规范，结合乌兰图嘎露天矿实际情况，边坡变形监测首级控制网采用城市四等GPS控制网，GPS四等控制网精度要求如表3-1

表3-1GPS四等控制网精度要求

相邻点最小距离

≥1km

相邻点最大距离

≤10km

相邻点平均距离

2-5km

固定误差a

a≤10mm

比例误差b最弱边相对中误差

b≤20ppm

≤1/4.5万

数据来源：

《全球定位系统城市测量技术规范》

相邻点间弦长中误差用下式表示：

（3-1）

式中：

σ——网中相邻点间的距离误差（mm）；

a0──与接收设备有关的常量误差（mm）；

b0──比例误差（ppm或10-6）；

D──相邻点间的距离（km）；

根据《煤矿测量规程》有关规范，变形监测控制网的高程测量采用三等水准测量。

精度要求如表3-2

表3-2三、四等水准测量的精度

测量等级

三等

四等

M△

3.0

5.0

Mw

6.0

10.0

数据来源：

GB12898-1991《国家三、四等水准测量规范》

每公里水准测量偶然中误差M△。

按式3-1计算：

（3-2）

式中：

△——测段往返测（或左右路线）高差不符值，mm；

R——测段长度，km；

n——测段数；

每公里水准测量全中误差Mw。

按式3-2计算：

（3-3）

式中：

W——经过各项改正后的水准环闭合差，mm：

F——水准环线周长，km；

N——水准环数：

平面联测采用I级光电测距导线的精度（表3-3），高程联测采用四等水准的精度；

表3-3测距仪精度等级

测距中误差

（mm/km）

测距仪精度等级

≤5

Ⅰ

6~10

Ⅱ

11~20

Ⅲ

数据来源：

《煤矿测量规程》

4变形监测控制网的建立与布设

4.1平面控制的建立

（1）方案的确定

变形监测必须布设基准点，它是计算变形体自身变形的基础。

基准点应在边坡体外，它的布设原则：

1）建立在边坡岩体外固定的岩体上；

2）对于垂直基准点要布设至少一组，每组不少于3个点，以便检核；

3）参考点应选在地势平坦，便于观测，易于保护的地方；

4）不会收到外界影响，如爆破，滑坡等；

5）保证在所选的参考点可以进行所有的观测工作，不会因为其他的生产工作而影响观测工作；

该露天矿南北方向要比东西方向宽0.4km，露天矿的建筑物一般比较分散，首级控制要求精度高，如果采用传统导线测量方法布设首级控制网，需要的时间长，它受观测条件因素的影响大，如观测者的认为误差，气象条件和观测时间不同的影响，观测仪器的本身精度，还可能与其他的工作发生冲突，内业繁琐，由于传统大地测量方法有这些诸多因素影响，所以选择了用GPS布网，GPS可以全天候观测，操作方便，点与点之间不需要同时，工作量小，观测时间短，且可以达到精度要求。

（2）选点埋石

1）选点的要求

测站四周要开阔，高度角15°以上不允许存在成片的障碍物。

测站上应环境良好便于安装天线和GPS接收机，可不受影响地进行观测，要远离大功率的无线电信号发射源，以免损坏接收机天线。

要与高压运输线，变压器等保持一定距离，避免干扰。

测站应远离建筑物、大的遮挡物，水库等信号反射物，以免出现严重的多路径效应。

测点应选在地质条件良好、点位稳定、易于保护的地方，并考虑交通等问题，充分的利用符合要求的原有控制点和标识观测墩。

尽可能使所选的测站附近的小环境与周围的大环境保持一致，以避免或减少气象元素的代表性误差[2]。

在进行GPS观测选点工作前，收集到了乌兰图嘎露天煤矿地表境界拐点坐标（附录1）和露天矿底部境界拐点坐标（附录2），这些已知坐标是该露天矿边界点。

还收集到了乌兰图嘎露天矿总布置平面图，在图上选出点位，在实地观察后，选出符合基本要求的点位。

应为用到已知点，所以点名不需要更改。

布设不少于3个高级点来保证GPS网图形精度。

结合该矿实际情况，在符合精度要求的前提下，分别在工业场地、组装场地、残留破碎站选点，选出3点和边界点P4为高级点，分别在露天矿的东西两侧选出基准点G31、G20、K24、P11、P9进行联测。

点位分布如图4-1

图4-1

2）埋石的要求

由于是GPS四级网，级别低为节省资金不需要天线墩，但应满足标石稳定，易于长期保存。

标石应设有中心标志，标石的中心可用铁或坚硬的复合材料制成。

标志中心应刻有清晰、精细的十字线，十字线相交的中心点直径不大于0.5mm。

埋石时可以应用混凝土灌制，各层标志中线应严格位于同一铅垂线上，其偏差不得大于2mm。

利用旧点时，应确认该标石完好，并符合同级GPS点埋石的要求，埋石后至少需经15天左右，才可以观测。

3）观测方案

完成埋石后，就可以进行外业观测，编写外业观测调度计划表十分有必要，由于GPS天线和接收机数量的限制，GPS网的布网形式采用同步图形扩展式，其具有扩展速度快，图形强度较高，作业方法简单的特点，迁站方案选择翻转式。

考虑到GPS网的精度指标和完成所需要的时间还有资金的问题，GPS网的图形选择多边形网，虽然不如几何强度三角形网，但可以依据GPS测量规范（表4-3）对边数加适当限值，仍可以满足要求，有较强的几何强度。

而且当发现某一条基线超限可以将其弃用，不影响其它基线，这样可以不必返工。

表4-3CJJ73-97对最简独立闭合环或附合路线边数的规定

等级

二等

三等

四等

一级

二级

闭合环或附合路线边数

≦6

≦8

≦10

≦10

≦10

数据来源：

全球定位系统城市测量技术规程CJJ73-97

理论的最少观测时段数是满足所规定的重复次数的前提下，完成GPS网外业观测理论所需的作最少观测时段数，用下4-1式来计算：

（4-1）

式中：

n——GPS网点数；

m——每点的重复设站观测次数；

N——接收机个数。

观测时要使用GPS静态观测，每条边观测时段应大于2次，经计算理论所需的作最少观测时段数为9，保证视野内有效的观测卫星大于4颗，观测时间每段应不少于45分钟，GPS天线对中误差小于1mm。

保证点位PDOP小于6。

接收机要有专人看护，观测前要检查接收机和天线等连接无误方可进行观测，操作时要严格遵守技术规定，观测时要协调好，按规定的时间同时进行，观测前和完成后，要量取天线高，取两次的平均为天线高，但两次量取的差不大于3mm。

作业人员要及时填写测量手薄，所有的观测项都进行已完成，且符合要求，记录无误后才可迁站。

4）数据处理

观测完成后，数据导入计算机后，检查、修改外业数据，设定基线解算的控制参数，基线解算完成后，不能马上进行后续的工作，必须进行基线质量检验，对基线的质量进行评估，质量合格才能继续处理，质量的检验包括同步环闭合差、异步环闭合差、重复基线较差还有GPS网无约束网平差基线向量改正数。

各种改正数绝对值满足的要求如表4-4。

表4-4各种改正数绝对值满足的要求

同步环闭合差

异步环闭合差

腹侧基线长度较差

无约束网平差基线向量残差

注：

σ—基线的精度。

如计算结果不满足上表的要求，则认为其所对的基线或其附近的基线向量可能存在质量问题。

应剔除粗差已达到精度要求。

完成基线解算后，还不能网中点的绝对位置，进行三维无约束平差后，可选择国家坐标系或地方独立坐标系下进行三维空间或二维空间平差。

平差结果应该有基线向量改正数、方位、基线边长、转换参数在所选的坐标系下的三维或二维的坐标和精度信息。

根据GB/T18314-2009要求，GPS网的约束平差中，基线向量的改正数与剔除粗差后的无约束平差结果的同名基线相应改正数的较差应符合公式（4-2）：

（4-2）

式中，σ为对基线精度要求。

当超限时可认为作为约束的已知坐标、距离、已知方位与网不兼容应采用软件提供的或人为的方法剔除某些误差较大的约束值直至符合上式要求[9]。

基准点建立完成后，就可以建立工作基点，应用监测点有一定的距离。

它分为测点和照准点。

在离边坡较近且稳定地方选出21个工作基点与基准点构成水平位移监测点。

采用一级边角网与已知点边界点进行联测保证精度，点位误差小于±1.6mm。

由于乌兰图嘎露天矿的土质条件较不稳定需要加固且定期与基准点进行复测。

4.2高程控制网的建立

（1）方案的确定

GPS虽然同时确定出点的三维坐标，但确定出的高程是相当于一个选定的参考椭球，即大地高，不是在实际应用中的采用的与地球重力场密切相关的正常高，所以选择水准测量，仪器采用天宝电子水准仪DINI03，以露天矿的基本高程点为水准基点。

水准基点至少布设一组且大于3个点，2个基准点1个检测基准点。

水准控制点布设为7组每组2个点构成闭合图形，为了减少点数可以用水平基准点构成三维坐标。

水准控制点与水准基点要定期复测。

（2）外业观测

高程控制测量按《国家水准测量规范》表4-5

表4-5水准测量的主要技术要求

等级

每千米高差全中误差

（mm）

路线长度（km）

水准仪的型号

水准尺

观测次数

往返较差、附合或环线闭合差

与已知点联测

附合或环线

平地（mm）

山地（mm）

二等

±2

—

DS1

铟瓦

往返各一次

往返各一次

—

三等

±6

≤50

DS1

铟瓦

往返